Туннельные диоды
К туннельным относятся диоды, у которых за счет туннельного эффекта на прямой ветви вольт-амперной характеристики существует область с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Вторым элементом их обозначения является буква «И».Туннельный переход электронов через p-n-переход возможен, если толщина перехода мала и энергетическим уровням, заполненным электронами одной области, соответствуют такие же свободные разрешенные энергетические уровни в соседней области. Эти условия выполняются в p-n переходах, образованных полупроводниками с высокой концентрацией примесей (1019—10–21 см–3). При этих условиях ширина p-n-перехода имеет порядок 10–6 см, что обусловливает высокую напряженность электрического поля в переходе и вероятность туннельного прохождения электронов через его потенциальный барьер. В полупроводниках с такой концентрацией примесей атомы примеси взаимодействуют между собой и их уровни расцепляются в зоны, примыкающие в полупроводнике p-типа к валентной зоне, а в полупроводнике n-типа — к зоне проводимости. Такие полупроводники называют вырожденными. В них уровни Ферми расположены в зоне проводимости n-области и в валентной зоне p-области.
Вид вольт-амперной характеристики туннельного диода может быть пояснен с помощью энергетических диаграмм (рис. 2.25), при построении которых предполагается, что в зоне проводимости n-области все уровни от Wдн до Wфn заняты электронами, а уровни, расположенные выше, свободны. В валентной зоне p-области все уровни от Wв до Wфp свободны, а уровни ниже Wфp заняты электронами (на рисунке эти уровни заштрихованы). Эти предположения идеализируют картину, но позволяют упростить изучение процессов прохождения тока, что допустимо при рассмотрении принципа работы диода.
Рис. 3.28. Вольт-амперная характеристика туннельного диода
При отсутствии внешнего напряжения (U = 0, рис.
3.28, д) уровень Ферми по всей системе одинаков (Wвn = Wфp) и против занятых электронами уровней p-области располагаются занятые уровни n-области. Туннельный переход электронов невозможен, и ток равен нулю.При подаче прямого напряжения уровни Ферми смещаются на величину W = q (рис. 3.28, а) и против части энергетических уровней, занятых электронами в n-области (двойная штриховка), окажутся свободные уровни в p-области.
В результате происходит туннельный переход электронов из n-области в p-области проходит прямой туннельный ток, пропорциональный площади перекрытия свободных разрешенных энергетических уровней валентной зоны p-области и заполн6енных энергетических уровней зоны проводимости n-области.
Туннельный ток будет увеличиваться до тех пор, пока перекрытие не станет максимальным (рис. 3.28, б). При дальнейшем увеличении прямого напряжения площадь перекрытия соответствующих уровней и туннельный ток перекрытия соответствующих уровней и туннельный ток уменьшаются (рис. 3.28, в). При некотором прямом напряжении занятые электронами энергетические уровни зоны проводимости n-области окажутся целиком расположенными напротив энергетических уровней запрещенной зоны p-области. Туннельный переход электронов в этом случае окажется невозможным, и туннельный ток прекратится.
Наряду с туннельным переходом электронов при прямых напряжениях в диоде имеет место инжекция электронов из n-области в p-область и инжекция дырок из p-области в n-область, что вызывает прохождение через туннельный диод диффузионного тока, как и в обычных полупроводниковых диодах. Поэтому ток туннельного диода при Uпр = Uв имеет две составляющие: туннельную и диффузионную (рис. 3.28, г).
Дальнейшее увеличение Uпр приводит к росту диффузионного тока (рис. 3.28, е).
Если диод включается в обратном направлении, то уровни Ферми смещаются так, как показано на рис. 3.28, ж, и появляется возможность туннельного перехода электронов с заполненных уровней валентной зоны p-области на свободные уровни зоны проводимости n-области.
Это приводит к появлению большого обратного туннельного тока.Условное графическое изображение туннельного диода показано на рис. 3.29.
Рис. 3.29. Условное графическое изображение туннельных диодов
Поскольку для изготовления туннельных диодов используются вырожденные полупроводники, по характеру проводимости приближающиеся к металлам, рабочая температура этих диодов достигает 400°С.
Недостатком туннельных диодов является малая мощность из-за низких напряжений (десятые доли вольта) и малых площадей перехода.
Основные параметры туннельных диодов: напряжение и ток пика Uп и Iп; напряжение и ток впадины Uв и Iв; отношение токов Iп / Iв; напряжение раствора Uр, равное прямому напряжению, большему Uв, при котором ток равен пиковому; емкость диода С; отрицательная проводимость gпер = dI / dU, определяемая на середине падающего участка вольт-амперной характеристики; сопротивление потерь rп. Параметры зависят от выбора полупроводника (ширины запрещенной зоны) и степени его легирования. Увеличение концентрации доноров приводит к росту Iп и Iв. Повышение концентрации акцепторов увеличивает Iп, Uп, Iв и Uв. Напряжения Uп и Uр возрастают при увеличении ширины запрещенной зоны.
Время туннельного прохождения электронов через p-n-переход составляет 10–13 с. На самом деле туннельные диоды работают с меньшим быстродействием из-за емкости диода и потерь. Предельная, или резистивная, частота fr, на которой активная составляющая полного сопротивления цепи, представленной на рис. 3.30, обращается в нуль, находится по формуле
. (3.8)
Рис. 3.30. Эквивалентная схема туннельного диода
Максимальное значение этой частоты получается при rп = 1 / (2gпер) и . Следовательно, частотные свойства туннельного диода определяются постоянной времени rпС.
По своему назначению туннельные диоды делятся на усилительные, генераторные, переключательные. Туннельные диоды позволяют создавать усилители, генераторы смесители в диапазоне волн вплоть до миллиметровых. На туннельных диодах можно строить и различные импульсные устройства: триггеры, мультивибраторы и спусковые схемы с очень малым временем переключения.